TAS5806M：一款高性能數(shù)字輸入立體聲D類音頻放大器的深度解析

在音頻放大器的領(lǐng)域中，TI的TAS5806M以其獨特的性能和豐富的功能脫穎而出，為電子工程師們在音頻設(shè)計方面提供了強大的支持。今天，我們就來深入探討一下這款23W無電感數(shù)字輸入立體聲閉環(huán)D類音頻放大器。

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一、產(chǎn)品概述

TAS5806M是一款高效的立體聲閉環(huán)D類放大器，它提供了一種經(jīng)濟高效的數(shù)字輸入解決方案，具有低功耗和出色的聲音增強功能。其集成的音頻處理器和96kHz架構(gòu)支持先進的音頻處理流程，包括采樣率轉(zhuǎn)換（SRC）、每通道15個雙二階濾波器（BQs）、音量控制、音頻混合、3頻段4階動態(tài)范圍壓縮（DRC）、全頻段自動增益限制（AGL）、總諧波失真管理（THD manager）和電平表等。

二、關(guān)鍵特性剖析

1. 多樣的輸出配置

• 2.0模式：在8Ω負載、21V電源、總諧波失真加噪聲（THD+N）為1%的條件下，可提供2x23W的輸出功率。
• 單聲道模式：在4Ω負載、21V電源、THD+N為1%時，能輸出45W的功率。這種多樣化的輸出配置，使得TAS5806M能夠靈活適應(yīng)不同的音頻應(yīng)用場景，無論是立體聲系統(tǒng)還是單聲道的低音炮應(yīng)用都能輕松勝任。

2. 卓越的音頻性能

• 低失真：在1W、1kHz、電源電壓（PVDD）為12V的條件下，THD+N ≤0.03%，這意味著它能夠還原出非常純凈的音頻信號，減少失真對音質(zhì)的影響。
• 高信噪比：信噪比（SNR）≥107dB（A加權(quán)），噪聲水平 < 40 μVrms，能夠有效抑制背景噪聲，讓用戶聽到更加清晰、純凈的聲音。

3. 低靜態(tài)電流

采用混合調(diào)制技術(shù)，在PVDD =13.5V、22 + 0.68 μF濾波器的條件下，靜態(tài)電流僅為16.5mA。這對于電池供電的便攜式音頻設(shè)備來說尤為重要，能夠有效延長設(shè)備的續(xù)航時間。

4. 靈活的電源配置

• PVDD：供電范圍為4.5V至26.4V，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• DVDD和I/O：可選擇1.8V或3.3V供電，為系統(tǒng)設(shè)計提供了更多的靈活性。

5. 豐富的音頻I/O接口

• 多種數(shù)字音頻接口：支持I2S、左對齊（LJ）、右對齊（RJ）、時分復(fù)用（TDM）、3線數(shù)字音頻接口，且無需主時鐘（MCLK），方便與各種音頻源設(shè)備進行連接。
• 多樣的采樣率支持：支持32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz等常見的音頻采樣率，能夠滿足不同音頻格式的需求。
• 音頻監(jiān)控輸出：具備串行音頻數(shù)據(jù)輸出（SDOUT），可用于音頻監(jiān)控、子通道處理或回聲消除等功能。

6. 強大的音頻處理能力

• 多頻段DRC和AGL：能夠?qū)σ纛l信號進行動態(tài)范圍壓縮和自動增益限制，確保音頻在不同音量下都能保持良好的音質(zhì)。
• 雙二階濾波器和熱折返功能：配備2x15個雙二階濾波器，可對音頻進行精細的濾波處理；熱折返功能能夠在芯片溫度過高時自動調(diào)整增益，保護芯片免受過熱損壞。
• 輸入混音和輸出交叉開關(guān)：支持輸入混音和輸出交叉開關(guān)功能，方便實現(xiàn)多樣化的音頻處理和路由。
• 低音炮通道處理：為低音炮通道提供5個雙二階濾波器 + 1個頻段DRC + THD管理器，優(yōu)化低音效果。

7. 完善的集成自保護機制

• 引腳短路保護：相鄰引腳短路時，不會對設(shè)備造成損壞，提高了設(shè)備的可靠性。
• 過流、過溫、過壓和欠壓保護：具備過流錯誤（OCE）、過溫警告（OTW）、過溫錯誤（OTE）、欠壓或過壓鎖定（UVLO/OVLO）等保護功能，確保設(shè)備在各種異常情況下都能安全工作。

8. 易于系統(tǒng)集成

• I2C軟件控制：通過I2C接口進行軟件控制，方便工程師對設(shè)備進行配置和調(diào)整。
• 減小解決方案尺寸：相比開環(huán)設(shè)備，所需的無源元件更少，能夠有效減小系統(tǒng)的尺寸。
• 無電感運行：在大多數(shù)PVDD ≤14V的情況下，可實現(xiàn)無電感運行（使用鐵氧體磁珠），進一步簡化了電路設(shè)計。

三、典型應(yīng)用場景

1. 電視應(yīng)用

無論是液晶電視（LCD TV）還是有機發(fā)光二極管電視（OLED TV），TAS5806M都能提供高質(zhì)量的音頻輸出，為用戶帶來身臨其境的觀影體驗。

2. 智能音箱

在無線音箱、帶語音助手的智能音箱以及條形音箱等設(shè)備中，TAS5806M的低功耗、高性能特性能夠滿足長時間播放和高品質(zhì)音質(zhì)的需求。

3. 電腦設(shè)備

可應(yīng)用于臺式電腦和筆記本電腦，為用戶提供清晰、響亮的音頻。

4. 智能家居和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

在AV接收器、智能家居和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等領(lǐng)域，TAS5806M能夠為這些設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的音頻解決方案。

四、設(shè)計要點

1. 電源供應(yīng)

• DVDD和PVDD：TAS5806M需要兩個電源供應(yīng)，DVDD用于為低電壓數(shù)字電路供電，PVDD為音頻放大器的輸出級供電。在設(shè)計時，應(yīng)確保這兩個電源的穩(wěn)定供應(yīng)，并且要注意電源的上電順序沒有嚴格要求，但在設(shè)備初始化后，PVDD必須保持在正常工作電壓范圍內(nèi)。一旦PVDD低于3.5V，所有寄存器都需要重新初始化。
• 電源去耦：為了確保高效率、低THD和高電源抑制比（PSRR），需要對電源進行適當(dāng)?shù)娜ヱ?。在PVDD線上，應(yīng)使用質(zhì)量好、低等效串聯(lián)電感（ESL）和低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電容（大于22μF）來旁路低頻噪聲到地平面，同時在靠近PVDD引腳的位置放置1μF或0.1μF的電容進行高頻去耦。

2. 電感選擇

在選擇電感時，需要考慮多種因素，以確保峰值電流小于過流保護（OCP）值（5A）。主要有以下三種情況會導(dǎo)致大的峰值電流流過電感：

• 上電時：在設(shè)備上電（空閑狀態(tài)，無音頻輸入）時，占空比從0增加到θ。不同的PWM調(diào)制方式下，θ值不同（BD調(diào)制時θ =0.5，1SPW調(diào)制和混合調(diào)制時θ =0.14），應(yīng)根據(jù)具體的調(diào)制方式和參數(shù)計算峰值電流，選擇合適的電感值和飽和電流。
• 音樂播放時：在音樂播放過程中，某些音頻突發(fā)信號（高頻）且電源電壓嚴重限幅時，PWM占空比會急劇增加，這是最惡劣的情況，但很少發(fā)生。需要根據(jù)公式計算峰值電流，并選擇合適的電感。
• 最大輸出功率時：根據(jù)最大輸出功率計算峰值電流，電感的飽和電流應(yīng)大于上電和播放音頻時放大器的峰值電流。同時，在峰值電流下，電感的有效電感值應(yīng)至少為推薦值的80%，以滿足數(shù)據(jù)手冊的規(guī)格要求。

3. 輸出EMI濾波

TAS5806M通常與低通濾波器一起使用，以濾除PWM調(diào)制輸出的載波頻率，這個濾波器常被稱為L-C濾波器。在一些對電磁干擾（EMI）不敏感的低功率應(yīng)用中，可以使用簡單的鐵氧體磁珠或鐵氧體磁珠加電容來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大電感和電容；而在高功率應(yīng)用中，則需要使用大型環(huán)形電感和薄膜電容以獲得最佳性能。具體的組件選擇和設(shè)計可參考應(yīng)用報告《Class-D LC Filter Design (SLOA119)》。

4. 布局設(shè)計

• 通用布局準則：對于包含開關(guān)輸出級的音頻放大器，其布局和周邊支撐組件的布局需要特別注意。系統(tǒng)級的性能指標，如熱性能、電磁兼容性（EMC）、設(shè)備可靠性和音頻性能等，都受到布局的影響。在布局時，應(yīng)盡量遵循應(yīng)用部分提供的設(shè)備和組件選擇指導(dǎo)，以及布局示例中的指導(dǎo)原則。
• PVDD旁路電容的放置：PVDD線上的小旁路電容必須盡可能靠近PVDD引腳放置。如果放置過遠，不僅會增加系統(tǒng)的電磁干擾，還可能影響設(shè)備的可靠性，導(dǎo)致輸出引腳出現(xiàn)振鈴，使輸出引腳電壓超過絕對最大額定值，損壞設(shè)備。
• 熱性能優(yōu)化：為了實現(xiàn)最佳的解決方案尺寸、熱性能、音頻性能和電磁性能的平衡，應(yīng)遵循布局示例。如果由于設(shè)計限制需要偏離這些指導(dǎo)原則，系統(tǒng)設(shè)計師應(yīng)確保熱量能夠從設(shè)備散發(fā)到周圍環(huán)境中。具體措施包括避免在放大器附近放置其他發(fā)熱組件或結(jié)構(gòu)，使用更高層數(shù)的PCB以提供更多的散熱能力，將設(shè)備放置在遠離PCB邊緣的位置，避免使用走線或過孔切斷熱量流動路徑，確保從接地引腳到設(shè)備周圍PCB區(qū)域的接地平面連續(xù)等。

五、編程與控制

1. I2C串行通信總線

TAS5806M通過雙向串行控制接口與I2C總線協(xié)議兼容，作為從設(shè)備支持100kHz和400kHz的數(shù)據(jù)傳輸速率，可進行隨機和順序讀寫操作。由于其寄存器映射和DSP內(nèi)存跨越多個頁面，在寫入單個寄存器或DSP內(nèi)存之前，需要通過每頁的寄存器0來切換頁面。

2. 從地址設(shè)置

設(shè)備的從地址有7位，前5位（最高有效位）由工廠預(yù)設(shè)為01011（0x5x），接下來的2位可通過ADR/FAULT引腳由用戶自定義。

3. 讀寫操作

• 隨機寫：主設(shè)備發(fā)送起始條件，接著發(fā)送I2C設(shè)備地址和讀寫位（寫操作為0），設(shè)備響應(yīng)確認位后，主設(shè)備再發(fā)送內(nèi)部內(nèi)存地址，設(shè)備再次響應(yīng)確認位，最后主設(shè)備發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)，設(shè)備響應(yīng)確認位后，主設(shè)備發(fā)送停止條件完成寫入操作。
• 順序?qū)?/strong>：與隨機寫類似，只是主設(shè)備可以連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)字節(jié)，設(shè)備在接收每個數(shù)據(jù)字節(jié)后都響應(yīng)確認位，I2C子地址會自動遞增。
• 隨機讀：主設(shè)備先進行一次寫操作以傳輸要讀取的內(nèi)部內(nèi)存地址，然后再進行一次讀操作，設(shè)備將數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送給主設(shè)備，主設(shè)備發(fā)送非確認位和停止條件完成讀取操作。
• 順序讀：與隨機讀類似，設(shè)備可以連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)字節(jié)，主設(shè)備在接收除最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)外的每個數(shù)據(jù)字節(jié)后都響應(yīng)確認位，I2C子地址會自動遞增。